智能纖維的生產及其發展前景

張云逸

（天津工業大學,天津 300160）

智能纖維的生產及其發展前景

張云逸

（天津工業大學,天津 300160）

將智能纖維就其功能性分為六大類,并分別詳細地介紹了各種智能纖維的制備方法、功能及其實現機理,對由這些纖維制成的部分智能紡織品也進行了介紹,同時對智能紡織品的發展方向進行了展望。

智能纖維;智能紡織品;生產;發展

智能紡織品,是指對外界刺激具有感知能力或兼具反應能力的紡織品。智能纖維是集感知、驅動和信息處理于一體,具備自感知、自適應、自診斷、自修復等智能性功能的纖維。智能紡織品可以由智能纖維經紡紗、織造獲得,也可將其他智能材料復合到紡織品上,使紡織品獲得智能性,本文從智能纖維的角度分六類介紹智能纖維及智能紡織品。

1 壓敏智能纖維及其智能紡織品

1.1 壓敏智能纖維的制備技術

熔融—凝膠法制備壓電陶瓷纖維的技術較為成熟,可制成直徑在30μm以下的纖維。利用這種纖維中的壓電晶體粉末受外力作用后發生壓電效應,壓電效應產生的極化電荷與空氣接觸可以電離空氣從而產生負氧離子,可以使纖維具有良好的消除疲勞、抗菌、防臭性能。

1.2 壓敏智能紡織品

1.2.1 熔融—凝膠法制備的壓電陶瓷纖維

應用此技術,麥滿芳發明了 PZT（鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷）纖維。PZT與其他種類的壓電陶瓷相比,壓電系數更大,居里溫度在300 ℃以上,各項機電參數受溫度影響小,時間穩定性好,廣泛應用于壓電復合材料。

1.2.2 壓敏粘合纖維

多層結構的壓敏粘合纖維是一種含有共聚單體的丙烯酸酯共聚物的混合組分的新型纖維。用熔紡的紡粘法或熔噴法,可制得直徑約為50μm的纖維。在紡粘法工藝中,這種纖維先被擠出制成一種非粘結的纖網,再被粘結。在熔噴法工藝中,纖維在被拉長之前先高速運行穿過噴絲孔經噴氣噴吹,再被收集在一個轉動的圓筒上,成為自熔粘結纖網。熔紡工藝常會造成聚合物分子量降低,而壓敏粘合材料尤為突出,會造成纖維粘結強度下降,用一種丙烯酸酯共聚物作為纖維的結構組分可以解決這個問題。丙烯酸酯共聚物纖維可以成為單官能自由基可共聚的單體,其均聚物的玻璃化轉變溫度高于烷基（甲基）丙烯酸酯單體制成的聚合物的玻璃化溫度,這樣就有效地增加了纖維的粘結強度。

2 形狀記憶智能纖維及其智能紡織品

所謂“形狀記憶”,是指具有某一原始形狀的制品,發生形變后,在特定的外界條件下,如加熱等外部刺激手段,又可使其恢復初始形狀的現象。

2.1 形狀記憶智能纖維的制備技術

由形狀記憶聚氨酯制備的形狀記憶纖維是先在溶劑如甲苯、二甲亞砜（DM SO）、N,N-二甲基甲酰胺（DM F）或甲基異丁基甲酮（M IBK）等極性溶劑中,讓聚合多元醇和二異氰酸酯預先反應生成端氰酸酯基預聚體,然后再進行擴鏈、聚合等步驟從而生成聚氨酯;在得到的聚氨酯中加入封端劑,得到封端的形狀記憶聚氨酯,然后紡絲制備得到形狀記憶纖維。此形狀記憶纖維溫度調節范圍極寬,其在彈性、強力以及形狀記憶性能等方面具有很好的實用性能,并且手感舒適,可單獨紡,也可與其它合成纖維、天然纖維混紡,在紡織服裝、生物醫用材料等領域有著廣泛應用。

2.2 形狀記憶智能紡織品

用SM聚合物（形狀記憶聚氨酯 Shapw Memory Polyurethame）紡制成的SM纖維,其斷裂強度可達0.9～1.4 cN/dtex,斷裂伸長率30%～200%,線密度 44～77 dtex,轉變溫度 50～60℃,形狀記憶固定率85%～95%,形狀記憶恢復率90%～100%,用環錠紡或摩擦紡制成的 SM包芯紗,其中SM纖維成分為45%,斷裂強度分別可達2.3和1.6 cN/tex,斷裂伸長率達260%,SM固定率分別為97.5%和94.5%,SM恢復率分別為86%和87%。

香港理工大學形狀記憶紡織品中心研發的SM織物對溫度敏感,在施加外部熱刺激下可由變形形態恢復到原初形態。

3 溫敏智能纖維及其智能紡織品

纖維的某些性能隨溫度改變而發生可逆變化的纖維成為溫敏纖維。

3.1 溫敏智能纖維的制備技術

3.1.1 中空纖維填充法

在織造前,將M icro-PCM（微膠囊包覆石蠟類相變材料）填充到中空纖維的中空部分,利用特殊方法將中空部分密封,再用樹脂將纖維進行包覆,防止相變膠囊外泄,利用相變材料的可逆蓄熱和防熱性能,可以達到持久調溫效果。采用中空纖維填充法生產智能調溫紡織品所用相變材料有無機水合鹽、聚乙二醇、塑晶物質等。

3.1.2 紡絲法

將含有M icro-PCM的紡絲組分作為島或芯組分,聚酯、丙綸等作為皮組分進行紡絲或將M icro-PCM直接分散在紡絲溶液或熔體內制備耐久效果更好的相變纖維,現階段主要應用溶液紡絲和熔融紡絲技術。目前研究的熱點為采用熔融紡絲工藝。

3.1.3 泡沫法

使用水吹法可以得到柔軟的泡沫材料,雖然蓄熱調溫微膠囊均勻分布,增重約35%～48%,但撕破強力很低,通常做服裝襯里比較合適。

3.2 溫敏智能紡織品

空調纖維的調溫原理是利用能吸收儲存和釋放熱量的熱敏相變材料碳氫化鈉,采用微膠囊技術,將其植入纖維內,制成一種新型的智能纖維Outlast空調纖維。Outlast公司科研人員在粘膠纖維中摻入Outlast微膠囊,開發出了Outlast粘膠型空調纖維。該纖維適用于貼身內衣等針織服裝,也適用于襯衫、罩衫和褲子等梭織服裝,另外Outlast粘膠纖維還適用于床單、毯子、被單和床墊布。

河北吉藁化纖有限責任公司協同北京巨龍博方科學技術研究院研發的絲維爾 TM智能空調纖維其作用機理同Outlast空調纖維也十分相似。

4 納米技術智能纖維及其智能紡織品

4.1 碳納米管改性纖維的制備技術

碳納米管是在納米水平上操縱碳原子制成的超細材料,數萬根碳納米管并排起來也就一根頭發絲那么粗。在不需要附加任何電子設備的前提下,將普通的棉線放入碳納米管溶液當中反復浸漬,再使其干燥。由于碳納米管具有良好的導電性,如此幾次之后,棉纖維就具有了導電性。而且吸附了碳納米管的棉纖維干燥之后,無論對其加熱或使用溶劑都不能將碳納米管分離出來。這表明加入的碳納米管起到了保證涂層穩定的作用。此外,碳納米管的親水性也能保證紡織品穿著的舒適性。

4.2 納米智能紡織品

4.2.1 碳納米管改性纖維制備的智能紡織品

利用這種纖維（直徑在20μm左右）紡制出的紗線具備引導電流的功能,它能從電池中導出功率,讓二極管照明設備發光。這種智能紗線做成的面料可以用于高風險專業領域。一名身處危險的警察,一名在工作中受傷的消防員,一名在前線受傷的戰士,他們可能無法發出求救信息,但是,利用智能紗線制成的服裝就能夠做到這一點。可以根據需要設計服裝,儲存能源,這些能源可以啟動小型電子設備,移動電話或任何其他形式的附帶在服裝上的通信設備,把信息傳輸給一個指揮所。它也可以用在監視健康的服裝上。

4.2.2 具有“選擇性傳輸”的納米智能紡織品

將納米層附著在天然纖維上,這些納米層的厚度僅為20 nm,由不同種類的聚合體構成,能夠對通過的物質進行控制,這一過程被稱為“選擇性傳輸”。這些納米層都是針對不同的化學物質量身定做的。在阻止芥子氣、神經毒氣、或工業化學制品通過的同時,可以允許空氣、水分的通過來保持面料的透氣性。這一納米智能紡織品技術有大量潛在的應用領域。比如,涂有關節炎藥物的手套;具有抗菌層、可防止傷口感染的軍事制服;潛水艇艙位中的抗菌被褥,用于防止疾病傳播;針對多種化學和生物毒劑的防護衣;涂有抗癢聚合高分子電解質的尿布和涂有抗敏藥物的衛生紙。

5 p H響應性凝膠智能纖維的制備技術

自從1978年 Tanaka發現 PAAm（聚丙烯酰胺）水凝膠在V/V（水/丙酮）比例為一定值時存在相轉變現象后,凝膠的研究就引起了相關科研工作者的廣泛關注。p H響應性凝膠纖維是隨p H值的變化而產生體積或形態改變的凝膠纖維。

在40℃下,將紡絲原液真空脫泡,將紡絲原液擠入飽和Na2SO4凝固浴,凝固浴中加入1%（體積分數）戊二醛水溶液和2.5%（體積分數）硫酸。14 h后從20℃恒溫的凝固浴中取出絲條并將其長度拉伸至初生纖維原長的3倍,然后在室溫干燥24 h,制得干態 HPAN/Ge（堿解聚丙烯腈/明膠）水凝膠纖維。實驗表明 HPAN/Ge水凝膠纖維具有很快的響應速度,其響應時間隨著明膠質量分數的增加而減少,其智能性更為突出。

6 光響應智能紡織品介紹

在光的作用下,紡織品的某些性能,如顏色、力學性能等發生可逆變化,稱為光響應智能紡織品。這種紡織品目前在日本、美國有生產,一般是在合成纖維生產過程中加入少量的蓄光劑（主要成分為氧化鉛和一些稀土元素,平均粒度在2～3 μm）。產品經光線照射10～20 min,即可持續發光8～10 h,顏色有黃、綠、藍等,多種多樣。如美國Beaverindustries和 Glo～Tech兩大公司就分別以 Glosafety和 Glo～Tech商標名出售其自發光產品。

7 結束語

隨著科技的進步及多學科的相互交叉、滲透和融合,智能纖維正在向著高功能、高附加值的方向發展,它的研究開發已經進入到一個新的領域。它在提高人們的生活質量,改善人們的勞動條件,增加服裝舒適性,滿足某些特殊行業和特殊場合的需要等方面正在發揮越來越重要的作用。智能紡織品的加工技術也在不斷地深入,相信在不遠的將來,其品種會越來越豐富,應用范圍也將越來越廣。

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[3] 錫環.全球首創形狀記憶纖維[J].江蘇絲綢,2009,（2）：54.

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[5] 趙連英,杜維強,章水龍.Outlast粘膠型空調纖維開發智能調溫 T恤的實踐[J].江蘇紡織,2008,（12）：37—38,54.

[6] 尉霞.智能紡織品[J].山東紡織科技,2003,（3）：54—56.

Production and Development Prospects of Intelligent Fibre

ZHANG Yun-yi
（Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China）

The intelligent textiles w ere divided into six catego ries.The p reparation methods,functions and realization mechanism of various intelligent fibres were introduced in detail,as well as the intelligent textilesmade from those fibres.The developing Trend of intelligent textilesw ere exp lo red.

intelligent fibre;intelligent textiles;p roduction;development

TS102.5

A

1009-3028（2010）02-0044-03

2009-12-29

張云逸（1987—）,男,天津人,學士。